基于CFD/CSD耦合方法的复合材料旋翼结构载荷优化分析
发布时间：2021-09-29 18:31
旋翼非定常载荷是直升机振动的主要来源,弹性桨叶在旋转过程中,既存在复杂的非定常气动载荷,也存在结构的弹性变形,二者相互耦合增加了旋翼气动和结构分析的难度,是旋翼气弹分析领域的研究重点。为了降低复合材料旋翼的结构振动载荷,需要对桨叶进行结构优化设计,为此,本文从三个方面入手:考虑桨叶弹性的气动及结构载荷分析、桨叶结构的参数化模型方法和优化设计方法。主要内容包括:第一章,介绍了本文的研究背景和意义,对旋翼结构载荷优化分析中用到的旋翼CFD/CSD耦合分析方法、复合材料桨叶参数化建模方法以及旋翼动力学优化方法进行了介绍,总结了本文将要开展的工作。第二章,建立了旋翼运动嵌套网格生成方法和旋翼流场数值模拟方法。采用了“扰动衍射”方法和Inverse-map方法,提高了嵌套网格挖洞和贡献单元搜索的效率;采用代数方法进行了网格变形处理。针对旋翼非定常气动载荷计算,基于可压RANS方程和一方程S-A湍流模型建立了旋翼CFD方法,采用高阶ROE-MUSCL格式提高了CFD分析精度,采用OpenMP进行并行加速。选择UH-60A旋翼和Caradonna-Tung旋翼进行算例验证,表明了本文CFD方法的有效...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文研究方法总体流程图
9(c) SC1095图 2.2 围绕不同翼型的二维贴体网格及其局部图图 2.2 给出了采用上述方法生成的围绕三种翼型的二维贴体网格，为了显示效果，将远场边界距翼型表面距离设为 2 倍弦长。为了保证 N-S 方程中的粘性计算，翼型表面第一层网格法向间距为 10-6。从图中可以看出，生成的二维网格贴体性和正交性好，疏密程度分布合理，为后续的研究打下良好的网格基础。桨叶网格参数化生成方法在生成二维翼型贴体网格的基础上，采用参数化方法生成桨叶的三维贴体网格。桨叶的三维外形参数描述主要包括翼型分布、弦长分布、四分之一弦线分布和扭转分布，基于这些参数，桨叶三维贴体网格的生成步骤可描述如下：
(a) 悬停状态 (b) 前飞状态图 2.4 悬停和前飞计算所用背景网格及加密区域示意图旋翼网格与背景网格的嵌套关系旋翼的嵌套网格系统由围绕各片桨叶的三维贴体网格和包围旋翼网格的背景网格构成格与背景网格之间通过嵌套关系进行流场信息传递，其中，挖洞、贡献单元搜索和插核心内容。挖洞和贡献单元搜索的本质相同，都是寻找一个网格系统中的点在另一个的单元位置。洞边界单元和贡献单元之间的流场信息传递通过三线性插值完成。本文采用的挖洞方法为 “扰动衍射”法[58]，其算法思路为：选取一个非洞单元作为扰扰动从该点沿各个方向向网格空间传播，如果遇到背景网格的洞包络面，则扰动会受无法传递至包络面内部，当传遍网格空间后，所有不受扰动影响的单元即为洞单元。扰动衍射法能够成功，需要确保洞包络面是封闭的，为此需要对翼型网格进行加密。针对贡献单元搜索，桨叶网格点在背景网格上的贡献单元搜索较为简单，通过简单二快速实现，而寻找背景网格点在桨叶网格中的贡献单元则较为复杂，直接采用遍历法复杂度较高，在实际计算中难以运用。为此，本文采用了 Inverse-map 方法[64]。该方法于构建一个全面覆盖桨叶且固连在桨叶网格上的辅助笛卡尔网格，在进行贡献单元搜
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法[J]. 赵国庆,招启军,吴琪. 航空动力学报. 2015(03)
[2]基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性[J]. 虞志浩,杨卫东,邓景辉,张呈林. 航空动力学报. 2012(05)
[3]悬停气弹稳定的盒型梁桨叶动力学多目标优化[J]. 王红州,刘勇,张呈林,沈庆楼. 南京航空航天大学学报. 2008(06)
[4]使用高阶逆风通量差分裂格式的悬停旋翼流场数值模拟[J]. 招启军,徐国华. 航空动力学报. 2005(02)
[5]带气弹稳定性约束的复合材料浆叶减振优化设计(英文)[J]. 郭俊贤,向锦武. Chinese Journal of Aeronautics. 2004(03)
[6]基于运动嵌套网格的前飞旋翼绕流N-S方程数值计算[J]. 杨爱明,乔志德. 航空学报. 2001(05)
[7]用双时间法数值模拟悬停旋翼流场(英文)[J]. 江雄,陈作斌,张玉伦. 空气动力学学报. 1998(03)
[8]面向设计的复合材料旋翼桨叶动力优化设计[J]. 顾元宪,刘书田,关振群,程耿东. 航空学报. 1998(03)
[9]复合材料旋翼桨叶的结构优化与振动控制[J]. 樊光华,侯汝良,程耿东,顾元宪. 航空学报. 1991(12)
博士论文
[1]直升机旋翼非定常动态失速的CFD模拟及其主动流动控制研究[D]. 赵国庆.南京航空航天大学 2015
[2]直升机复合材料桨叶动力学减振优化设计研究[D]. 陈琨.南京航空航天大学 2014
[3]基于CFD方法的先进旋翼气动特性数值模拟及优化研究[D]. 王博.南京航空航天大学 2012
[4]新型桨尖弹性旋翼气动特性的Navier-Stokes方程数值模拟[D]. 徐广.南京航空航天大学 2010
[5]直升机旋翼非定常流动的低耗散高精度数值方法研究[D]. 徐丽.上海大学 2010
[6]计入桨叶结构弹性的新型桨尖旋翼流场数值模拟研究[D]. 王海.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]基于高精度算法的新型桨尖旋翼流场模拟[D]. 印智昭.南京航空航天大学 2016
[2]基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法研究[D]. 李建东.南京航空航天大学 2015
[3]基于CFD/CSD方法的后掠桨尖旋翼气弹响应研究[D]. 王俊毅.南京航空航天大学 2013
[4]复合材料旋翼桨叶参数化建模与减振优化方法研究[D]. 曹冬冬.南京航空航天大学 2013
本文编号：3414238
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文研究方法总体流程图
9(c) SC1095图 2.2 围绕不同翼型的二维贴体网格及其局部图图 2.2 给出了采用上述方法生成的围绕三种翼型的二维贴体网格，为了显示效果，将远场边界距翼型表面距离设为 2 倍弦长。为了保证 N-S 方程中的粘性计算，翼型表面第一层网格法向间距为 10-6。从图中可以看出，生成的二维网格贴体性和正交性好，疏密程度分布合理，为后续的研究打下良好的网格基础。桨叶网格参数化生成方法在生成二维翼型贴体网格的基础上，采用参数化方法生成桨叶的三维贴体网格。桨叶的三维外形参数描述主要包括翼型分布、弦长分布、四分之一弦线分布和扭转分布，基于这些参数，桨叶三维贴体网格的生成步骤可描述如下：
(a) 悬停状态 (b) 前飞状态图 2.4 悬停和前飞计算所用背景网格及加密区域示意图旋翼网格与背景网格的嵌套关系旋翼的嵌套网格系统由围绕各片桨叶的三维贴体网格和包围旋翼网格的背景网格构成格与背景网格之间通过嵌套关系进行流场信息传递，其中，挖洞、贡献单元搜索和插核心内容。挖洞和贡献单元搜索的本质相同，都是寻找一个网格系统中的点在另一个的单元位置。洞边界单元和贡献单元之间的流场信息传递通过三线性插值完成。本文采用的挖洞方法为 “扰动衍射”法[58]，其算法思路为：选取一个非洞单元作为扰扰动从该点沿各个方向向网格空间传播，如果遇到背景网格的洞包络面，则扰动会受无法传递至包络面内部，当传遍网格空间后，所有不受扰动影响的单元即为洞单元。扰动衍射法能够成功，需要确保洞包络面是封闭的，为此需要对翼型网格进行加密。针对贡献单元搜索，桨叶网格点在背景网格上的贡献单元搜索较为简单，通过简单二快速实现，而寻找背景网格点在桨叶网格中的贡献单元则较为复杂，直接采用遍历法复杂度较高，在实际计算中难以运用。为此，本文采用了 Inverse-map 方法[64]。该方法于构建一个全面覆盖桨叶且固连在桨叶网格上的辅助笛卡尔网格，在进行贡献单元搜
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法[J]. 赵国庆,招启军,吴琪. 航空动力学报. 2015(03)
[2]基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性[J]. 虞志浩,杨卫东,邓景辉,张呈林. 航空动力学报. 2012(05)
[3]悬停气弹稳定的盒型梁桨叶动力学多目标优化[J]. 王红州,刘勇,张呈林,沈庆楼. 南京航空航天大学学报. 2008(06)
[4]使用高阶逆风通量差分裂格式的悬停旋翼流场数值模拟[J]. 招启军,徐国华. 航空动力学报. 2005(02)
[5]带气弹稳定性约束的复合材料浆叶减振优化设计(英文)[J]. 郭俊贤,向锦武. Chinese Journal of Aeronautics. 2004(03)
[6]基于运动嵌套网格的前飞旋翼绕流N-S方程数值计算[J]. 杨爱明,乔志德. 航空学报. 2001(05)
[7]用双时间法数值模拟悬停旋翼流场(英文)[J]. 江雄,陈作斌,张玉伦. 空气动力学学报. 1998(03)
[8]面向设计的复合材料旋翼桨叶动力优化设计[J]. 顾元宪,刘书田,关振群,程耿东. 航空学报. 1998(03)
[9]复合材料旋翼桨叶的结构优化与振动控制[J]. 樊光华,侯汝良,程耿东,顾元宪. 航空学报. 1991(12)
博士论文
[1]直升机旋翼非定常动态失速的CFD模拟及其主动流动控制研究[D]. 赵国庆.南京航空航天大学 2015
[2]直升机复合材料桨叶动力学减振优化设计研究[D]. 陈琨.南京航空航天大学 2014
[3]基于CFD方法的先进旋翼气动特性数值模拟及优化研究[D]. 王博.南京航空航天大学 2012
[4]新型桨尖弹性旋翼气动特性的Navier-Stokes方程数值模拟[D]. 徐广.南京航空航天大学 2010
[5]直升机旋翼非定常流动的低耗散高精度数值方法研究[D]. 徐丽.上海大学 2010
[6]计入桨叶结构弹性的新型桨尖旋翼流场数值模拟研究[D]. 王海.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]基于高精度算法的新型桨尖旋翼流场模拟[D]. 印智昭.南京航空航天大学 2016
[2]基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法研究[D]. 李建东.南京航空航天大学 2015
[3]基于CFD/CSD方法的后掠桨尖旋翼气弹响应研究[D]. 王俊毅.南京航空航天大学 2013
[4]复合材料旋翼桨叶参数化建模与减振优化方法研究[D]. 曹冬冬.南京航空航天大学 2013
本文编号：3414238
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